Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

L'insegnamento si propone di introdurre i principali concetti di elettronica digitale iniziando dalle porte logiche elementari per arrivare alla descrizione funzionale di FPGA e microcontrollori. In particolare verrà descritto nel dettaglio un microcontrollore ad 8 bit che costituirà oggetto di esercitazione di laboratorio. Circa la metà delle ore del corso è utilizzata per realizzare in laboratorio un progetto che consente di realizzare un blocco funzionale di un dispositivo medico basato sul microcontrollore studiato.

Sensori e misure per la bioingegneria

Il corso riguarda la moderna strumentazione per la misurazione di grandezze fisiche e ha lo scopo di fornire agli allievi le nozioni di base per la corretta progettazione di un sistema di misura e di svolgere in autonomia l’analisi quantitativa delle prestazioni. Particolare enfasi sarà data alla misurazione di grandezze utili in ambito biomedicale. Il corso comprende lezioni in aula ed esercitazioni sperimentali di laboratorio dove si utilizzeranno gli strumenti e i sensori descritti a lezione e si realizzeranno e caratterizzeranno semplici, ma completi, sistemi di misura automatici.

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

Al termine dell'insegnamento gli studenti conosceranno:
- le porte logiche elementari e la sintesi empirica di circuiti combinatori e digitali
- le diverse tecnologie elettroniche con i relativi settori di impiego
- la struttura di un tipico microcontrollore
- le principali istruzioni assembler della famiglia di microcontrollori considerata

Al termine dell’insegnamento gli studenti avranno le seguenti abilità:
- analizzare e progettare alcuni semplici circuiti digitali basati su porte logiche elementari
- realizzare semplici circuiti contenenti un microcontrollore e scrivere il software in linguaggio assembler necessario a far funzionare il microcontrollore stesso.
- date le specifiche funzionali, di ricavare schema a blocchi, schema elettrico, flow chart del software e codice in linguaggio assembler

Sensori e misure per la bioingegneria

I risultati attesi riguardano la conoscenza della struttura e del principio di funzionamente di strumentazione elettronica e di sensori per grandezze fisiche, la capacità di analisi e di progetto di circuiti condizionamento per sensori e sistemi di acquisizione, il calcolo dell’incertezza di misura, l’analisi e la correzione di errori sistematici.
Lo studente dovrà poi essere in grado di analizzare le specifiche di strumenti e di sensori commerciali e di operare scelte progettuali volte ad ottenere le migliori prestazioni dal punto di vista misuristico.
Lo studente imparerà quindi ad impiegare in modo consapevole la strumentazione di laboratorio e ad analizzare in modo critico le prestazioni del sistema realizzato.

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

Elettronica analogica di base ed elettrotecnica. È utile aver seguito con profitto il modulo di Bioingegneria Elettronica e quello di Dispositivi Impiantabili Attivi.

Sensori e misure per la bioingegneria

Elettrotecnica, fisica II, elettronica.

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

Lezioni frontali
- Conversione analogico digitale e digitale analogico
- Dimensionamento di un sistema di acquisizione
- Famiglie logiche TTL e CMOS: caratteristiche ed interconnessione
- Modelli di ingresso ed uscita di porte logiche. Margine di rumore.
- Interfacciamento di famiglie logiche diverse
- Porte logiche elementari e relative tavole di verità
- Parametri statici e dinamici
- Porte three state ed open collector
- Transistore bipolare: modelli di saturazione ed interdizione
- Dimensionamento condensatori di by-pass
- Circuiti sequenziali: FF, registri, contatori
- Tecnologie elettroniche
- Microcontrollore AT-Mega 8
- Microprogrammazione

Laboratori
- Uso della strumentazione di laboratorio
- Misura di parametri statici e dinamici su porte logiche CMOS e TTL
- Uso ambiente AVR Studio e progetto, scrittura e debugging di semplici programmi di prova
- Lavoro a gruppi sui progetti assegnati


Sensori e misure per la bioingegneria

Fondamenti di misura
o Motivazioni. Definizione di misura. I metodi di misura. Incertezza e errore. Misurazioni dirette ed indirette. Incertezza di misura con il modello deterministico. Incertezza strumentale (indice di classe e formula bionomia), di lettura, intrinseca. Propagazione di incertezza nelle misure indirette
Strumentazione e metodi
o Strumentazione elettromeccanica di base, voltmetri e amperometri. Incertezze ed effetti sistematici.
o Richiami sui principi della conversione analogico/digitale e sui convertitori A/D parallelo, ad approssimazioni successive e a integrazione. Errori di risoluzione, offset guadagno e linearità. Absolute accuracy.
o Misurazione di segnali alternati. Convertitori ac-dc a singola e doppia semionda, di picco, a vero valore efficace.
o Multimetri numerici. Funzioni: tensione continua, corrente continua, tensione alternata, resistenza a due e quattro morsetti, frequenza.
o Schede di acquisizione dati. Struttura, acquisizione multi-canale, modalità di acquisizione (riferita, differenziale, single ended)
o Cenni sull’ambiente di sviluppo Labview
Sensori
o Caratteristiche e principali principi fisici di funzionamento
o Sensori di temperatura: resistivi, termocoppie, , pirometri, elettronici
o Sensori di forza: estensimetri, celle di carico, piezoelettrici
o Sensori di spostamento: trasformatori lineari, potenziometri, ottici
o Sensori di accelerazione e di umidità

Laboratorio
L’elenco è indicativo e potrà subire variazioni
1. uso di strumentazione di base di laboratorio
2. Uso di voltmetri e amperometri analogici e numerici
3. Uso di Labview
4. Termometro con Pt100 (misure accurate di temperatura e analisi dell’incertezza)
5. Termometro con NTC (misure in condizioni dinamiche)
6. Termometro con termocoppie e sensori elettronici (compensazione giunto di riferimento e uso di amplificatori da strumentazione)
7. Misurazione di forza in condizioni statiche e dinamiche con celle di carico

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

L’insegnamento è suddiviso in circa 30 ore di lezioni frontali ed altrettante ore di esercitazione di laboratorio.


Sensori e misure per la bioingegneria

Lezioni in aula per circa 40 ore e laboratorio sperimentale per circa 20 ore da svolgere in gruppi di 3-4 persone. E’ richiesta la stesura di relazioni di laboratorio.

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

Dispense fornite dal docente e manuali del microcontrollore utilizzato.


Sensori e misure per la bioingegneria

Dispense, esercizi e temi d’esame a cura del docente. Ai fini dell’apprendimento è importante seguire sia le lezioni in aula sia le esercitazioni di laboratorio.
A. Carullo, U. Pisani, A. Vallan, 'Fondamenti di misure e strumentazione elettronica', Edizioni C.L.U.T. ' Torino, 2006

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

L’esame è costituito da una parte scritta ed una parte di prova pratica di laboratorio. Nella parte scritta agli studenti è chiesto di rispondere a due domande che possono essere relative tanto alla parte teorica quanto alla risoluzione di esercizi di calcolo o progettazione. La prova pratica di laboratorio consiste nell’esecuzione di misure o sulla basetta progettata e realizzata dal candidato e su una basetta messa a disposizione. Il voto finale è determinato dalla somma dei voti riportati nella parte scritta (sino a 9 punti a domanda), nella prova pratica (sino a 9 punti) e dal giudizio sulla relazione finale (sino a 6 punti). Agli studenti che superano il punteggio di 30,5 è assegnata la lode.



Sensori e misure per la bioingegneria

L’esame è scritto con valutazione delle relazioni di laboratorio. La prova orale è facoltativa.
La prova scritta è composta di 10 quesiti a risposta aperta riguardanti esercizi e/o argomenti di teoria. Il tempo a disposizione per lo svolgimento è di 1h e 30min.
Gli studenti che superano la prova scritta potranno sostenere una prova orale facoltativa. La prova orale verterà su tutto il programma.
Le relazioni "brevi" di laboratorio dovranno essere redatte in gruppo direttamente in laboratorio durante lo svolgimento dell’esercitazione e saranno consegnate per posta elettronica alla fine dell’esercitazione o nella data comunicata dal docente. Sarà valutato sia il contenuto della relazione sia la presenza in laboratorio. Una assenza in laboratorio non comporta penalizzazioni. Il punteggio massimo assegnato alle relazioni è di punti 2.